基于深度学习建表的宽域发动机火焰面燃烧模型构建与验证

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作者 于江飞 连城阅 +3 位作者 汤涛 唐卓 汪洪波 孙明波 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期723-739,共17页

以新型宽域发动机为动力的未来新一代飞行器的研发迫切需要CFD方法来进行高效高精度的辅助设计.文章把传统的火焰面/进度变量燃烧模型与深度学习和神经网络方法相结合,构建了新的智能化改进的燃烧模型并进行了算例测试与验证,在保证计... 以新型宽域发动机为动力的未来新一代飞行器的研发迫切需要CFD方法来进行高效高精度的辅助设计.文章把传统的火焰面/进度变量燃烧模型与深度学习和神经网络方法相结合,构建了新的智能化改进的燃烧模型并进行了算例测试与验证,在保证计算效率的同时提高了预测精度.首先,给出了人工神经网络的构建方法,包括数据库划分、数据归一化以及模型的训练等;然后,测试分析了不同函数结构对新建模型的影响,并讨论了基于CPU和GPU的求解器框架下内存占用优化问题;最后,把智能化模型耦合到GPU求解器上对飞行马赫数4~12的3个发动机算例进行了数值模拟.结果表明,智能化改进的模型可代替传统火焰面/进度变量数据库从而实现高维参数建模及模型改进,并可以成功运行在GPU上;智能化改进的模型比传统的模型平均误差减小量均超过了50%,算例误差最大减小值可达57.2%. 展开更多

关键词 火焰面/进度变量模型 全连接神经网络 宽域发动机 燃烧模型 数值模拟

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基于火焰面模型的推力室起动过程仿真

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作者 初敏 徐旭 许晓勇 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第3期362-367,共6页

采用计算流体力学的方法,对氢氧火箭发动机推力室的起动过程进行了数值仿真。起动的非定常过程由双时间步方法模拟,燃烧过程由稳态层流火焰面模型模拟,火焰面建库采用6组分8步反应的化学动力学模型。按照地面试车时序进行推力室起动过... 采用计算流体力学的方法,对氢氧火箭发动机推力室的起动过程进行了数值仿真。起动的非定常过程由双时间步方法模拟,燃烧过程由稳态层流火焰面模型模拟,火焰面建库采用6组分8步反应的化学动力学模型。按照地面试车时序进行推力室起动过程仿真,获得了起动过程的建压曲线以及详细的流场建立过程。结果表明,经过点火瞬间压力松弛控制的稳态层流火焰面模型可用于火箭发动机的点火过程动态仿真,仿真得到的压力曲线与试车曲线相比符合良好。 展开更多

关键词 火箭发动机 起动过程 火焰面模型 数值仿真

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基于RANS求解的火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型研究 被引量：8

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作者 武文 黄威 +1 位作者 赵平辉 叶桃红 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第10期1016-1022,共7页

通过求解稳态一维拉伸层流扩散火焰面方程,得到混合物分数及反应进度Z-C双标量建表的层流火焰面数据库,并结合混合物分数满足β分布及一阶近似的反应进度变量条件概率密度分布,建立了湍流火焰面平均值数据库.通过将双参数火焰面模型的... 通过求解稳态一维拉伸层流扩散火焰面方程,得到混合物分数及反应进度Z-C双标量建表的层流火焰面数据库,并结合混合物分数满足β分布及一阶近似的反应进度变量条件概率密度分布,建立了湍流火焰面平均值数据库.通过将双参数火焰面模型的查表和求解过程与OpenFOAM计算平台相结合,发展了基于RANS方法的双参数湍流燃烧火焰面模型及数值计算求解器ZCFoam.对轴对称湍流射流Sandia D火焰的模拟表明,计算给出的温度分布、主要组分的分布等与实验值吻合较好. 展开更多

关键词 湍流扩散燃烧 火焰面模型 反应进度变量 OPENFOAM 数值模拟

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基于火焰面/进度变量模型的超声速燃烧IDDES模拟 被引量：4

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作者 王浩苏 单繁立 +1 位作者 牛健 朴英 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第3期321-327,共7页

为了清晰地描述超声速条件下的复杂流动与燃烧过程,建立了基于IDDES模型和火焰面/进度变量模型的湍流燃烧数值模拟方法,并应用于德国宇航中心(DLR)超燃冲压发动机的数值模拟。计算结果与实验数据符合良好,表明该方法可以较为准确地描述... 为了清晰地描述超声速条件下的复杂流动与燃烧过程,建立了基于IDDES模型和火焰面/进度变量模型的湍流燃烧数值模拟方法,并应用于德国宇航中心(DLR)超燃冲压发动机的数值模拟。计算结果与实验数据符合良好,表明该方法可以较为准确地描述超声速湍流燃烧过程,也验证了经过可压缩性修正的火焰面/进度变量模型适用于超声速燃烧问题的求解。同时,利用k-ωSST模型对同一算例进行了计算,发现其对物理量分布的计算精度要低于IDDES模型,说明湍流输运过程的描述对火焰面/进度变量模型的计算精度有重要影响。 展开更多

关键词 超燃冲压发动机 湍流燃烧 火焰面/进度变量模型 IDDES模型

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超声速可压缩火焰面模型的研究进展 被引量：1

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作者 高振勋 蒋崇文 李椿萱 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第4期651-659,I0001,共10页

火焰面类模型最初是针对低速流动提出的湍流燃烧模型,本文针对其向超声速可压缩流动的推广研究进行了综述。对于火焰面模型,其数据库建立时环境压强为常数以及静焓与混合分数线性关系的假设在超声速流动中均不适用。数值实验发现:一方面... 火焰面类模型最初是针对低速流动提出的湍流燃烧模型,本文针对其向超声速可压缩流动的推广研究进行了综述。对于火焰面模型,其数据库建立时环境压强为常数以及静焓与混合分数线性关系的假设在超声速流动中均不适用。数值实验发现:一方面,数据库中主要组分浓度对于环境压强的变化并不敏感,但中间产物浓度在不同压强下变化明显;另一方面,静焓与混合分数偏离线性关系这一因素所引起的火焰面模型获得的温度场差别很小。对于火焰面/进度变量模型,其数据库中进度变量的化学反应源项对于压强和静焓-混合分数关系的变化则很敏感,现有考虑这一影响的可压缩修正主要是通过针对利用未经修正的数据库PDF积分后的平均源项进行标度来实现。数值结果表明,可压缩标度方法可有效考虑高马赫数效应对进度变量源项的影响,从而改善火焰面/进度变量模型对超声速燃烧流动的模拟精度。 展开更多

关键词 超声速燃烧 火焰面模型 火焰面/进度变量模型 可压缩修正

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采用基于火焰面的燃烧模型研究部分预混燃烧 被引量：5

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作者 熊模友 乐嘉陵 +3 位作者 黄渊 宋文艳 杨顺华 郑忠华 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第7期1459-1467,共9页

考虑到火焰面模型的优点,采用基于RANS的稳态火焰面模型,稳态火焰面/反应进度变量模型和非稳态火焰面/反应进度变量模型对部分预混燃烧室进行了数值计算,并将这三种燃烧模型的计算结果和实验值进行对比研究。发现稳态和非稳态火焰面/反... 考虑到火焰面模型的优点,采用基于RANS的稳态火焰面模型,稳态火焰面/反应进度变量模型和非稳态火焰面/反应进度变量模型对部分预混燃烧室进行了数值计算,并将这三种燃烧模型的计算结果和实验值进行对比研究。发现稳态和非稳态火焰面/反应进度变量模型均成功地预测到了部分预混燃烧中的三岔火焰结构和火焰抬举现象,分析了三岔火焰的形成机理及抬举高度。文中稳态火焰面模型计算部分预混燃烧完全失效,无法捕捉到火焰抬举现象,稳态火焰面/反应进度变量方法计算的火焰抬举高度仅仅为10,基于反应进度变量为水、二氧化碳、一氧化碳和氢气的质量分数之和的非稳态火焰面/反应进度变量方法计算的火焰抬举高度仅为20,和实验值之间的误差为42.8%,而基于反应进度变量为一氧化碳和二氧化碳质量分数之和的非稳态火焰面/反应进度变量方法计算的火焰抬举高度大致32,和实验测量值35非常接近,误差仅为8%。对燃烧热力学标量温度和组分的计算,可以发现非稳态火焰面/反应进度变量方法和实验结果吻合最好,其次是稳态火焰面/反应进度变量模型,最差的是稳态火焰面模型。 展开更多

关键词 火焰面思想 反应进度变量 部分预混 燃烧模型 三岔火焰

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采用辐射修正的火焰面/进度变量方法模拟扩散燃烧火焰

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作者 赵志涛 刘正先 +1 位作者 赵明 贺莹 《燃烧科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期355-364,共10页

基于开源平台OpenFOAM开发火焰面/进度变量方法求解器,采用进度变量在燃烧S曲线上的不同的插值方法分别对甲烷扩散燃烧火焰进行模拟分析.将模拟结果与试验值进行对比分析,结果表明采用进度变量及混合分数为指标的插值结果更接近试验值.... 基于开源平台OpenFOAM开发火焰面/进度变量方法求解器,采用进度变量在燃烧S曲线上的不同的插值方法分别对甲烷扩散燃烧火焰进行模拟分析.将模拟结果与试验值进行对比分析,结果表明采用进度变量及混合分数为指标的插值结果更接近试验值.在此基础上探讨了在火焰面/进度变量模型中添加辐射模型对甲烷/空气燃烧数值模拟结果的影响,辐射模型采用P1辐射模型与光学薄模型(OTM)进行对比分析.通过与试验值的对比发现,由能量方程隐式计算得到温度并添加辐射模型的火焰面/进度变量方法不仅提高了部分轴向位置截面温度及最终产物CO_(2)、H_(2)O的计算精度,而且使中间组分CO、H_(2)及OH的模拟结果更加接近试验值.火焰面/进度变量方法结合辐射模型可以更为精准地计算湍流扩散火焰中的燃烧过程. 展开更多

关键词 扩散燃烧 火焰面 反应进度变量 S曲线 辐射模型

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基于火焰面/进度变量方法模拟超临界压力下的液氧甲烷火焰

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作者 李钰航 王祎 +1 位作者 吴宝元 杨建文 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期826-833,共8页

为了深入认识超临界压力下低温推进剂的复杂燃烧过程,基于OpenFOAM开源CFD仿真平台,采用真实流体热物性模型结合火焰面/进度变量模型建立了一套超临界湍流燃烧的均相模拟方法。针对Mascotte试验台的液氧甲烷燃烧实验进行了数值模拟,结... 为了深入认识超临界压力下低温推进剂的复杂燃烧过程,基于OpenFOAM开源CFD仿真平台,采用真实流体热物性模型结合火焰面/进度变量模型建立了一套超临界湍流燃烧的均相模拟方法。针对Mascotte试验台的液氧甲烷燃烧实验进行了数值模拟,结果较准确地捕捉了火焰形态,同时研究了燃烧室压力对火焰的影响。研究表明:由于超临界压力下液氧在升温时存在拟沸腾过程,射流剪切层中液氧迅速膨胀并产生了径向向外的流动,造成了火焰的突然扩张并在火焰下游形成回流区;燃烧室压力升高时甲烷密度增加而入口速度减小,同时液氧升温膨胀的幅度减小,造成了火焰长度的增加以及火焰下游回流区的消失。 展开更多

关键词 超临界燃烧 低温推进剂 真实流体 火焰面进度变量模型 均相求解器

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钝体射流火焰及其点火过程的大涡模拟 被引量：4

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作者 杨涛 张健 +1 位作者 吕金明 晋国栋 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第6期1281-1291,共11页

钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火... 钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火过程进行了详细的数值模拟.以Sydney钝体燃烧器的无反应射流和有反应甲烷/氢气(CH_4/H_2)火焰为研究对象,首先通过统计平均的数值结果与实验测量及文献数据的对比,全面检验了所用数值方法和燃烧模型;随后,详细展示了钝体燃烧器点火和火焰发展的瞬态过程;最后,对钝体射流的点火过程进行了细致的分析和表征.根据温度峰值、羟基(OH)质量分数和甲醛(CH_2O)质量分数峰值随时间的变化表征了强制点火过程的4个阶段:点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功.其中,点火核驻留的空间位置位于钝体燃烧器冷态流场外侧涡的尾部回流区域附近. 展开更多

关键词 钝体射流 强制点火 火焰面/过程变量模型 大涡模拟

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双尺度小火焰模型预测混合层火焰中PAHs的生成 被引量：1

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作者 蔡瑞鹏 罗坤 +1 位作者 金台 樊建人 《燃烧科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第5期501-506,共6页

本文验证了双尺度过程变量小火焰方法在层流混合层火焰中的适用性,该方法通过增加额外的过程变量CPAHs来提高传统过程变量小火焰方法对多环芳烃的预测能力.通过与直接数值模拟结果的先验和后验对比,证明了该方法的优越性.在后验验证中,... 本文验证了双尺度过程变量小火焰方法在层流混合层火焰中的适用性,该方法通过增加额外的过程变量CPAHs来提高传统过程变量小火焰方法对多环芳烃的预测能力.通过与直接数值模拟结果的先验和后验对比,证明了该方法的优越性.在后验验证中,由于对过程变量CPAHs源项的偏低预测继而导致了对多环芳烃组分峰值的预测偏低.通过分析直接数值模拟结果中的小火焰分支,推测过程变量CPAHs源项的偏低预测是小火焰的多维性造成的. 展开更多

关键词 双尺度 过程变量 小火焰模型 多环芳烃

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航空发动机两级反向旋流燃烧室燃烧流场大涡模拟研究（英文） 被引量：7

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作者 周瑜 乐嘉陵 黄渊 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期1576-1589,共14页

为深入了解真实航空发动机内燃烧流场,采用动态亚网格模型结合单步快速化学反应(FC)、火焰面(FLM)及反应进度变量(FPV)等三种燃烧模型对径向两级反向旋流燃烧室单头部构型进行了大涡模拟。为避免模型简化误差,对燃烧室包括全部气膜冷却... 为深入了解真实航空发动机内燃烧流场,采用动态亚网格模型结合单步快速化学反应(FC)、火焰面(FLM)及反应进度变量(FPV)等三种燃烧模型对径向两级反向旋流燃烧室单头部构型进行了大涡模拟。为避免模型简化误差,对燃烧室包括全部气膜冷却孔在内的精细结构进行了完全仿真。在已达到统计定常状态的冷态流场基础上首先模拟了燃料喷注和掺混过程,约2.6ms后燃料到达真实的点火位置,随后采用FPV模型在半径3mm的球形区域数值模拟了点火,展示了在主燃孔横向射流作用下初始火焰沿化学恰当比混合分数等值线传播并充满整个火焰筒的发展过程,结果显示火焰到达燃烧室出口的耗时约为6～7ms。不同模型算法预测的平均温度场与CARS测量结果作了对比,LES-FPV,RANS-FPV,LES-FLM以及参考文献中RANS-FLM计算平均误差分别为3.47%,4.17%,7.76%和11.22%,表明LES改进了模拟精度,且FPV模型显著优于FLM模型。RANS-FPV预测的出口存在严重热斑,导致其给出的出口温度分布因子(OTDF)及最大径向温度分布因子(RTDF)值分别达到0.593和0.313;LES-FPV结果均匀性最好,其预测值分别为0.284和0.193。 展开更多

关键词 航空发动机燃烧室 反向双旋流 大涡模拟 动态亚网格模型 快速化学反应模型 火焰面模型 反应进度变量模型

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同轴射流燃烧室非预混湍流燃烧流场特性大涡模拟研究 被引量：1

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作者 周瑜 乐嘉陵 黄渊 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第7期1514-1522,共9页

为深入研究带突扩与回流的同轴剪切射流模型燃烧室流场结构与燃烧特性,采用单步快速化学反应、火焰面与反应进度变量三种燃烧模型结合动态亚网格模型在自有CFD平台上对甲烷-空气非预混燃烧流场进行了大涡模拟。计算检验了流场时空尺度... 为深入研究带突扩与回流的同轴剪切射流模型燃烧室流场结构与燃烧特性,采用单步快速化学反应、火焰面与反应进度变量三种燃烧模型结合动态亚网格模型在自有CFD平台上对甲烷-空气非预混燃烧流场进行了大涡模拟。计算检验了流场时空尺度及网格和时间步长设置,对流场0~2s内启动并发展进入统计定常状态的非定常流动过程进行了完整模拟。燃烧室内多处监测点湍动能谱统计结果表明,轴向速度在混合剪切层内的脉动存在从约1200Hz开始的多个特征频率序列,且随着测点位置向下游移动,其对应的特征峰从高频到低频逐渐衰减消失。流向多个截面上时间平均的混合分数及温度分布结果表明,反应进度变量模型能够模拟出该流场特有的抬举火焰,与实验数据吻合程度显著优于其余两种模型,即对于该类型强剪切非预混反应流,以燃烧产物质量分数替代采用梯度粘性输运模化的混合分数耗散率进行计算更为合适。 展开更多

关键词 非预混燃烧 同轴剪切流 大涡模拟 动态亚网格模型 单步快速化学反应模型 火焰面模型 反应进度变量模型

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